基于北斗-RTK的農(nóng)用無人車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉婷婷，郭佩佩，高 翔，洪志鵬，孟祥寶， ，黃家懌

（1.廣州市健坤網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510630；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；3.深圳市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究院，廣東 深圳 518038）

0 引言

中國(guó)是世界第一的農(nóng)機(jī)生產(chǎn)和使用大國(guó)，受耕地分布、人口密度、經(jīng)濟(jì)水平等因素的影響，農(nóng)機(jī)的主要操控手段仍然是人工操控[1]。研究農(nóng)機(jī)無人操控技術(shù)，將農(nóng)民徹底從農(nóng)業(yè)耕作中解放出來，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

農(nóng)機(jī)無人操控的核心是農(nóng)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，目前我國(guó)的農(nóng)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)絕大多數(shù)依賴進(jìn)口，主要包括美國(guó)大寶、日本拓普康、加拿大半球、瑞士徠卡等公司，產(chǎn)品價(jià)格高昂且難于維護(hù)[2]。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，隨著第二代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用和普及，其較強(qiáng)的信號(hào)覆蓋能力與高精度定位為我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐[3]。我國(guó)已有學(xué)者在基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的無人農(nóng)機(jī)操控方面做過一些基礎(chǔ)性的研究，如浙江大學(xué)蔣浩研究了適用于云端和移動(dòng)端農(nóng)田障礙物檢測(cè)平臺(tái)的深度學(xué)習(xí)模型，為導(dǎo)航系統(tǒng)路徑規(guī)劃功能和避障功能的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。西北農(nóng)林科技大學(xué)王譽(yù)熹研究了基于北斗的農(nóng)用無人機(jī)自主導(dǎo)航方法，定位精度達(dá)3.07 m。

本文開發(fā)一種基于北斗-RTK 的農(nóng)用無人車，利用無人車搭載的無線傳輸模塊與云服務(wù)平臺(tái)通信，無人車可根據(jù)規(guī)劃的路徑自適應(yīng)行走，碰到障礙物自動(dòng)避障。用戶可通過遙控手柄或者云平臺(tái)對(duì)無人車進(jìn)行操控。本文開發(fā)的無人車可有效提高作業(yè)效率，減少勞動(dòng)力投入，對(duì)提高國(guó)內(nèi)無人農(nóng)機(jī)自動(dòng)化程度具有積極作用。

1 總體結(jié)構(gòu)組成及性能參數(shù)

1.1 總體結(jié)構(gòu)組成

基于北斗-RTK 的無人車主要由行走裝置[4-5]、負(fù)載裝置、RTK 定位裝置、雙目攝像頭、超聲波傳感器等部分組成，結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 無人車結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 性能參數(shù)

無人車具有自動(dòng)、手動(dòng)控制2 種作業(yè)模式，具備障礙物識(shí)別、標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)路徑規(guī)劃、遙控手柄控制、云平臺(tái)監(jiān)控等功能，可將車輛位置、電池電量、行駛速度、實(shí)時(shí)視頻等現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)器。操作者可以通過云平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)數(shù)據(jù)查看、作業(yè)任務(wù)規(guī)劃等操控作業(yè)。無人車的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)如表1 所示。

表1 無人車結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

續(xù)表

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由樹莓派+TX2+STM32 組成?？刂葡到y(tǒng)總體框架如圖2 所示。樹莓派控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)行走、遙控等的控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及與平臺(tái)服務(wù)器、STM32、TX2 系統(tǒng)通信。TX2 主要負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)視覺處理。STM32 負(fù)責(zé)RTK、電機(jī)行走、電壓、超聲波等數(shù)據(jù)的采集與上報(bào)以及接受樹莓派控制系統(tǒng)的控制命令控制外部設(shè)備。

圖2 控制系統(tǒng)總體框圖

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件采用樹莓派4B+作為決策控制器，STM32F407 作為底層驅(qū)動(dòng)控制器，兩者通過USBTTL 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，如圖3 所示?？刂葡到y(tǒng)硬件功能模塊包括北斗RTK 差分定位模塊、底盤驅(qū)動(dòng)控制模塊、超聲波驅(qū)動(dòng)模塊，這些功能模塊通過UART 串口與STM32F407 微控制器進(jìn)行通信?？刂葡到y(tǒng)硬件擴(kuò)展了I/O 接口，I/O 接口可驅(qū)動(dòng)外圍的MOS 管來控制灌溉、噴藥等設(shè)備的運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)硬件還預(yù)留有多個(gè)串口和SWD 接口，方便擴(kuò)展設(shè)備和功能調(diào)試。

圖3 系統(tǒng)硬件總體框圖

2.1.1 北斗RTK差分定位模塊

北斗RTK 差分定位模塊采用的是北斗星通OMER222 組合導(dǎo)航板卡，通過串口通信方式與主板相連[6]，接收北斗衛(wèi)星信號(hào)運(yùn)用差分定位技術(shù)計(jì)算出高精度位置信息由串口輸出到主板。選用驛唐的MD-149R工業(yè)級(jí)4G通信模塊作為RTK無線數(shù)據(jù)終端，該模塊支持NTRIP Client協(xié)議，通過接收基站差分?jǐn)?shù)據(jù)，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航差分?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)更高精度的差分定位。并且加入了TXS0108EPWR芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和數(shù)字隔離，保證主控芯片與模塊之間通信的穩(wěn)定性。

2.1.2 底盤驅(qū)動(dòng)控制模塊

底盤驅(qū)動(dòng)采用了DAS48150 雙驅(qū)伺服控制器，通過串行RS-232 接口與驅(qū)動(dòng)控制板進(jìn)行通信，并采用了RSM232 高速單路隔離型RS-232 雙向收發(fā)器來防止電機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾和高壓浪涌對(duì)串口通信干擾，保證底盤驅(qū)動(dòng)器與主控之間的穩(wěn)定通信。

2.1.3 超聲波驅(qū)動(dòng)模塊

無人車采用了超聲波避障傳感器，通過RS-485接口與主控進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。采用芯片SN75176BDR作為485 轉(zhuǎn)TTL 收發(fā)控制器，并加入了自動(dòng)收發(fā)流向控制電路，實(shí)現(xiàn)超聲波避障傳感器的信息采集。同時(shí)也在485 通信接口處加入了型號(hào)為PSM712-LF-T7 的TVS 保護(hù)管，防止差分輸入信號(hào)過壓損壞485收發(fā)控制器。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要包括樹莓派控制系統(tǒng)軟件、TX2 控制系統(tǒng)軟件和STM32 控制系統(tǒng)軟件3 部分。

2.2.1 樹莓派控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

樹莓派控制系統(tǒng)主要包括了無人車的服務(wù)器通信模塊、串口數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、遙控處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、外圍設(shè)備控制模塊、路徑規(guī)劃模塊和自動(dòng)行走控制模塊，如圖4 所示。

圖4 樹莓派控制系統(tǒng)框圖

服務(wù)器通信模塊與平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，收發(fā)平臺(tái)服務(wù)器JSON 格式的命令數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)遠(yuǎn)程查看操控?zé)o人車的接入口。樹莓派與STM32 以及TX2 通過串口通信數(shù)據(jù)，該模塊實(shí)時(shí)接收傳入數(shù)據(jù)并定時(shí)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)出[7]。遙控處理模塊處理遙控手柄各控制按鈕的PWM 鍵值，轉(zhuǎn)化為運(yùn)行速度與轉(zhuǎn)向大小的控制參量，是控制無人車前進(jìn)、后退、左右變向的重要數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的保存與讀取。無人車目前的外圍設(shè)備有三色燈、超聲波和噴藥裝置。外圍設(shè)備控制模塊封裝了各外圍設(shè)備的控制，只需調(diào)用相應(yīng)的控制函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備信息的讀取和控制。路徑規(guī)劃模塊用于生成規(guī)劃路徑，可分為規(guī)則路徑生成，示教路徑生成2 種。自動(dòng)行走控制模塊控制無人車按照規(guī)劃生成的作業(yè)路徑自動(dòng)行駛。

2.2.2 TX2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

TX2 控制系統(tǒng)軟件主要負(fù)責(zé)采集攝像頭的圖像數(shù)據(jù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺處理技術(shù)對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理與障礙物識(shí)別，根據(jù)識(shí)別的結(jié)果判斷是否有障礙物信號(hào)，并將障礙物的信號(hào)通過串口傳送給樹莓派控制系統(tǒng)，如圖5 所示。

圖5 TX2 控制系統(tǒng)流程圖

2.2.3 STM32控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32 控制系統(tǒng)軟件主要功能為采集RTK 定位、姿態(tài)角、控制底盤電機(jī)電壓等信息上報(bào)至樹莓派控制系統(tǒng)[8]，如圖6 所示，并且接收樹莓派控制系統(tǒng)傳送的控制命令控制底盤行走、避障以及一些外部設(shè)備，同時(shí)具有看門狗保護(hù)及心跳燈功能。

圖6 STM32 主程序控制流程圖

3 系統(tǒng)功能

無人車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)行走控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、路徑規(guī)劃、自動(dòng)避障等功能。

3.1 自適應(yīng)行走控制

當(dāng)無人車發(fā)生偏航時(shí)，通過自適應(yīng)的方式控制偏離規(guī)劃路徑的無人車靠近規(guī)劃的路徑[9]。如圖7 所示，起點(diǎn)為S，終點(diǎn)為E，連接起點(diǎn)S 與終點(diǎn)E 的直線為規(guī)劃路徑。

圖7 自適應(yīng)行走控制示意圖

圖7 中x為無人車偏離規(guī)劃路徑的距離偏移量，x＞0 是左偏，x＜0 是右偏。y為無人車的朝向偏離無人車與終點(diǎn)連線的角度偏移量，y＜0 是朝向左偏，y＞0 是朝向右偏。

自適應(yīng)行走控制公式如式（1）所示，其中，A、B、C、D 是常數(shù)系數(shù)，計(jì)算得到的結(jié)果Z值用于調(diào)整無人車左右輪的轉(zhuǎn)速，Z＞0 左轉(zhuǎn)，Z＜0 右轉(zhuǎn)。通過實(shí)時(shí)計(jì)算Z值，當(dāng)無人車偏離規(guī)劃路徑時(shí)，能控制無人車自適應(yīng)的行走調(diào)整到規(guī)劃路徑上。

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控

控制裝備通過搭載的多種傳感器采集無人車的位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、避障、電池電量等數(shù)據(jù)信息，并上傳至服務(wù)器。用戶可通過云平臺(tái)對(duì)無人車作業(yè)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可控制無人車進(jìn)行路徑規(guī)劃、行走控制、任務(wù)管理等功能操作，如圖8所示。

圖8 云平臺(tái)控制界面圖

3.3 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃包括示教路徑規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)路徑規(guī)劃[10-12]。

3.3.1 循跡示教路徑規(guī)劃

針對(duì)一般非標(biāo)準(zhǔn)化的果園，結(jié)合移動(dòng)平臺(tái)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)手段，在果園環(huán)境下示教移動(dòng)平臺(tái)行駛軌跡，通過高精度定位終端來循跡示教路線，并構(gòu)建移動(dòng)平臺(tái)自行走動(dòng)態(tài)調(diào)整模型，實(shí)現(xiàn)果園環(huán)境下移動(dòng)平臺(tái)的自動(dòng)循跡。

在示教模式下，操作人員引導(dǎo)無人車走過整個(gè)果園，無人車通過北斗RTK 實(shí)時(shí)獲得高精度位置坐標(biāo)，按照一定間距記錄下稀疏路徑點(diǎn)經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)。

無人車根據(jù)記錄的稀疏路徑點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)得出示教行駛路徑。在完成第一次的示教工作后，無人車將按照所記錄的示教行駛路徑行駛，如圖9 所示，藍(lán)線為無人車?yán)碚撥壽E，紅線為無人車實(shí)際軌跡，循跡精度誤差小于25 cm。

圖9 理論軌跡與無人車實(shí)際軌跡對(duì)比

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)路徑規(guī)劃

在果樹種植密度規(guī)范和植株行距統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化果園環(huán)境下，果園長(zhǎng)度H 與行距L 的值固定，起點(diǎn)S 與點(diǎn)A1 的相對(duì)方位角為0°，點(diǎn)A1 與點(diǎn)A2 的相對(duì)方位角為90°，如圖10 所示。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)路徑規(guī)劃示意圖

已知起點(diǎn)S 的經(jīng)度為IS，緯度為WS，起點(diǎn)S 與點(diǎn)A1 之間的距離為果園長(zhǎng)度H，點(diǎn)A1 相對(duì)于起點(diǎn)S 的方位角為β，地球半徑為R。如式（2）與式（3）所示，求得起點(diǎn)S 與點(diǎn)A1 間的弧度dSA1以及起點(diǎn)S與北極點(diǎn)間的弧度dS。根據(jù)式（4）求得起點(diǎn)S 與點(diǎn)A1 之間的地心夾角θ。最后，根據(jù)式（5），求得點(diǎn)A1 的經(jīng)度JA1和緯度WA1。

同理，根據(jù)點(diǎn)A1 的經(jīng)緯度及點(diǎn)A2 與點(diǎn)A1 的距離L、方位角90°可求得點(diǎn)A2 的經(jīng)度JA2與緯度WA2。依此類推，只需給定起點(diǎn)S 和終點(diǎn)E 兩個(gè)參考點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)及行距信息就能得到途徑所有位置點(diǎn)A1～An 的經(jīng)緯度信息，從而根據(jù)這些點(diǎn)的經(jīng)緯度信息規(guī)劃行駛路徑，起點(diǎn)S 與終點(diǎn)E 之間的連線為規(guī)劃行駛路徑。

3.4 自動(dòng)避障

采用雙目相機(jī)結(jié)合超聲波的方式進(jìn)行自動(dòng)避障。TX2 控制系統(tǒng)通過雙目相機(jī)采集圖像信息，運(yùn)用機(jī)器視覺對(duì)圖像進(jìn)行濾波去噪、地面物體去除、視察噪點(diǎn)去除、開閉運(yùn)算、邊緣檢測(cè)等處理，對(duì)處理后的圖像進(jìn)行障礙物的形狀、個(gè)數(shù)、坐標(biāo)識(shí)別，并將障礙物的信息通過串口傳輸?shù)綐漭煽刂葡到y(tǒng)，障礙物檢測(cè)效果如圖11 所示。

圖11 實(shí)地障礙物檢測(cè)效果圖

當(dāng)碰到障礙物時(shí)，超聲波會(huì)被障礙物反射[13]。根據(jù)發(fā)射與接收的時(shí)間差以及超聲波的傳播速度可以計(jì)算得到無人車與被測(cè)物體的距離，超聲波避障通過該距離判斷是否進(jìn)行避障。

樹莓派控制系統(tǒng)接收TX2 控制系統(tǒng)傳輸?shù)碾p目相機(jī)避障信息以及STM32 控制系統(tǒng)傳輸?shù)某暡ū苷闲畔ⅲ鶕?jù)兩者避障信息的比較結(jié)果進(jìn)行最優(yōu)的自動(dòng)避障。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

無人車實(shí)物如圖12 所示。試驗(yàn)在廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所內(nèi)的空地進(jìn)行，將樣機(jī)放置于地面空曠處，進(jìn)行了速度性能測(cè)試和行走轉(zhuǎn)向半徑測(cè)試。測(cè)試用到的工具：皮尺、秒表。

圖12 無人車實(shí)物圖

4.1 速度性能測(cè)試

外部環(huán)境相同，用秒表記錄無人車在0.4、0.6、0.8、1.0 m/s 等不同速度下行駛20 m 路程的時(shí)長(zhǎng)。如式（6）所示，計(jì)算實(shí)際時(shí)長(zhǎng)與理論時(shí)長(zhǎng)的相對(duì)誤差。

5%的相對(duì)誤差為可接受的速度性能，如表2 所示，無人車以1.0 m/s 速度行駛時(shí)測(cè)得相對(duì)誤差最大，相對(duì)誤差為3.20%，小于5%，測(cè)試結(jié)果表明無人車實(shí)際行走速度與設(shè)定速度一致性高，具有良好的速度性能，便于精確操控。

表2 速度性能試驗(yàn)結(jié)果

4.2 行走轉(zhuǎn)向半徑測(cè)試

測(cè)試行走轉(zhuǎn)向半徑時(shí)，云平臺(tái)控制讓無人車在1、2、3 m 等不同設(shè)定半徑下，以0.4、0.6、0.8、1.0 m/s 等不同行駛速度轉(zhuǎn)彎。以無人車中心線的中心點(diǎn)作為轉(zhuǎn)彎半徑的測(cè)量點(diǎn)，根據(jù)平地上履帶行駛印記，用皮尺測(cè)量無人車的實(shí)際轉(zhuǎn)彎半徑，如圖13 所示。根據(jù)式（7）計(jì)算不同設(shè)定半徑下無人車以不同速度行駛時(shí)的轉(zhuǎn)彎系數(shù)，如表3 所示。

表3 行走轉(zhuǎn)向半徑試驗(yàn)結(jié)果

圖13 行走轉(zhuǎn)向半徑測(cè)試

式中：

k——轉(zhuǎn)彎系數(shù)；

r——實(shí)測(cè)半徑，m；

r0——設(shè)定半徑，m。

試驗(yàn)表明實(shí)測(cè)半徑與設(shè)定半徑之間存在一定誤差，誤差范圍是9.25%～17.00%。為使無人車按設(shè)定半徑轉(zhuǎn)向，可通過增加矯正中間量——矯正半徑，結(jié)合轉(zhuǎn)彎系數(shù)k，矯正無人車實(shí)際行駛半徑與設(shè)定半徑之間因系統(tǒng)偏移產(chǎn)生的誤差。矯正半徑=設(shè)定半徑/轉(zhuǎn)彎系數(shù)k，其中轉(zhuǎn)彎系數(shù)k為試驗(yàn)的平均值1.12。

5 結(jié)論

本文研發(fā)的無人車，采用樹莓派、STM32、TX2 相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用RTK 接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)實(shí)現(xiàn)了高精度定位，能夠控制無人車自適應(yīng)行走，集遙控控制、路徑規(guī)劃、自動(dòng)避障、云平臺(tái)監(jiān)控等功能于一體，具有良好的速度性能與行走轉(zhuǎn)向性能。一方面，無人車可通過搭載藥箱、水箱、機(jī)械手、采摘箱等農(nóng)業(yè)機(jī)具，廣泛應(yīng)用于噴藥、施肥、采摘、運(yùn)輸?shù)葻o人作業(yè)任務(wù)，豐富無人農(nóng)機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景；另一方面，通過北斗導(dǎo)航與機(jī)器視覺的結(jié)合，大大提高了無人車的自動(dòng)化和智能化水平，可為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無人農(nóng)機(jī)的推廣應(yīng)用提供借鑒經(jīng)驗(yàn)和參考價(jià)值。